專利名稱：一種用于無縫鋼管的大膨脹量鋼及其制造方法
技術領域：
本發明屬于無縫鋼管技術領域，尤其涉及一種用于無縫鋼管的大膨脹量鋼及其制造方法，經濟、實用、成本低。
背景技術：
可膨脹管技術是降低石油開采鉆井完井成本的一項新興技術，被稱為“21世紀石油鉆采行業的核心技術”之一，正在日益引起業界的廣泛關注。可膨脹管是一種下井后經過機械擴張變形膨脹的新型套管，可廣泛用于鉆井、完井、采油、修井等作業中，該技術的出現從根本上改變了未來深井及復雜地質條件的鉆井采油工藝。可膨脹管技術最核心的優點在于采用該技術可以節約井眼尺寸。實際工程應用已經表明，可膨脹管技術能夠大幅度地降低鉆采成本和縮短施工周期。可膨脹管材的研究是可膨脹管技術中最為關鍵的一個問題，在很大程度上制約著可膨脹管技術的發展。由于膨脹管的作業環境一般在海洋和深井中，首先要求膨脹管材料具有較高的強度；同時，因為膨脹管在井下被徑向膨脹的過程中要發生大的永久性的塑性均勻變形，所以，膨脹管應該具有足夠的塑性變形能力。膨脹后，管材的力學性能、尺寸精度等應符合API5CT或者有關標準的規定。在綜合分析了當前國內的膨脹管技術之后，不難發現，當今的膨脹管材料研究存在以下技術問題:一是管材用料的合金成分較高，貴金屬及稀有金屬用量較多，直接導致了管材用鋼的碳當量偏高，不利于管材的焊接。例如，如中國專利CN1594631A公開了一種石油油井用膨脹合金材料，該合金材料中使 用了我國稀缺的Cr、N1、Zr等金屬，并在材料中添加了 0.lwt%的戰略性金屬——稀土 ；中國專利CN1011144376A中公開的一種連續膨脹管中，其合金材料中也同樣使用了我國稀缺的Cr、Mo、N1、和Cu等稀有金屬；中國專利CN102534369 A中公開了一種石油天然氣開采用N80鋼級膨脹管用材料中，加入了 Nb等較貴重的微合金元素Nb;中國專利CN 102517511 A中公開的高膨脹率石油套管用鋼及其用于制作石油套管的方法中，也加入了 Cr和Nb、V、Ti等微合金化元素。貴金屬及稀有金屬的使用，從原材料上提高了膨脹管的生產成本，不利于該項技術的推廣。同時，由于這些專利中所涉及材料的合金成分復雜，合金元素的含量較高，在無形中提高了該材料的碳當量，對管材的焊接也會造成不良影響。其次，制造工藝復雜。例如，中國專利CN 102534369 A中公開的一種石油天然氣開采用N80鋼級膨脹管的制備方法中，要經過兩次兩相區淬火+回火的工藝才能得到理想的強韌性匹配，繁雜的熱處理工藝不利于大規模工業化生產，提高了工藝成本，降低了生產效率。本發明中使用的是一種可以不添加其他合金元素的低碳、錳鋼材料，經過一次退火處理后即能滿足大膨脹量鋼管的強塑性要求，大大降低了生產制造成本
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于無縫鋼管的大膨脹量鋼及其制造方法，具有高擴徑能力及低生產成本。本發明通過合理的成分設計獲得低成本大膨脹量無縫管坯，并結合合理的穿管工藝和鋼管熱處理工藝使得膨脹管管材達到預期的強度和塑性標準，保證管材膨脹前后的力學性能均能滿足API及其它有關標準要求。本發明的大膨脹量鋼的化學成分重量百分為:C: 0.02wt% 0.10 wt% ；Mn:2.0wt% 8.0wt% ；S1: 0.2 wt% 1.0 wt% ；S<0.01 wt% ；P<0.02wt% ;余量為 Fe 及不可避免的雜質；也可以在此基礎之上添加一種或幾種其他化學元素:Ni:0.lwt% 0.6wt%、Cr:0.lwt% 0.6wt%、Cu:0.lwt% 0.5wt%、Nb:0.01wt% 0.lwt%、V:0.01wt% 0.lwt%、Ti:
0.01wt% 0.02wt%o o所述的大膨脹量鋼的顯微組織為:回火馬氏體(或回火貝氏體)+鐵素體+殘余奧氏體；殘余奧氏體體積分數> 5%。所述的大膨脹量鋼的熱處理后力學性能為:屈服強度400 700MPa，抗拉強度500 900MPa,延伸率30% 60%,均勻延伸率>20%,加工硬化指數0.15 0.3。一種低成本大膨脹量無縫管材料及其制造方法，詳細的制造工藝為:(1)煉鋼及凝固:適用于轉爐、電爐或感應爐冶煉，采用連鑄生產鑄坯或模鑄生產
鑄錠；(2)加熱及穿孔:管坯加熱到1100 1250°C，保溫I 10小時；穿孔溫度850 1100℃(3)控制冷卻:根據具體的性能要求，可分別采用空冷和強制冷卻的冷卻方法，分別得到粒狀貝氏體和“馬氏體+貝氏體”組織。(4)熱處理工藝為:將毛坯管加熱到兩相區(600 700°C，Acl以上10°C 40°C范圍)，使之部分奧氏體化，保溫2 15小時，使C、Mn等合金元素充分配分，然后隨爐冷卻或者空冷到室溫，得到大量富碳的殘余奧氏體。本發明各主要化學成分的作用如下:碳:鋼中的碳對最終逆轉變奧氏體、馬氏體的碳含量與體積分數有著重要的影響。只有保證有足夠的碳，才會形成足夠的富碳殘余奧氏體并能夠穩定至室溫。在某一兩相區溫度，隨著含碳量的增加，奧氏體中的碳的濃度增加。奧氏體穩定性增強，使較多的奧氏體穩定保留到室溫，提高逆轉變奧氏體的體積分數。但是碳含量較高時，焊接性能變差。所以應選擇合理的碳含量，在保證有足夠殘余奧氏體的同時避免Fe3C形成造成的脆性，并改善焊接性能。錳:添加錳可降低馬氏體轉變溫度Ms，增加殘余奧氏體的含量，尤其是當鋼中含有2 3%的錳時，還可以有效地提高殘余奧氏體分解的抗力。但是Mn含量太高的話會使殘余奧氏體的穩定性大大提高，以致存在較高的塑性變形時殘余奧氏體也不會發生相變，對提高工件的延展性不利；同時Mn含量過高，提高了材料碳當量，對焊接性能不利。硅:硅通常不作為合金元素加入，是一種脫氧劑，當Si以固溶體的形式存在與奧氏體中時，可以提高鋼的強度和硬度，其作用強于Mn、N1、Cr、V、Mo等。Si作為非碳化物形成元素，在碳化物中的溶解度極低，在Q&P鋼等溫過程中，能夠強烈抑制Fe3C的形成，使碳進一步積聚于未轉變的奧氏體中，促使馬氏體開始轉變溫度MS降至室溫以下，有利于形成富碳的殘余奧氏體。鋁:鋁和硅一樣，也是非碳化物形成元素，能夠強烈抑制Fe3C的形成，使未轉變奧氏體富碳。雖然鋁的固溶強化效果弱于硅，但是在Q&P鋼中，可以添加鋁元素以降低硅的副作用。另外，采用鋁代硅不影響鋼的涂鍍和焊接工藝，所以在要求涂鍍和焊接的鋼中常用鋁代替硅。硫:硫在一般狀況下也是鋼中的有害元素，含硫較高的鋼在高溫下進行壓力加工時，容易脆裂，通常叫做熱脆性，會降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時容易造成裂紋，同時，硫還回降低鋼的耐腐蝕能力，惡化鋼的焊接性能。磷:通常狀況下，磷是鋼中的有害合金元素，鋼中的磷含量超過一定值時會在晶界處析出，破壞晶界強度，損壞其延展性，使鋼的可塑性及韌性明顯下降，該類情況在低溫下尤為嚴重，這種現象叫做冷脆性，過高的磷含量會使鋼的焊接性能變壞，同時降低鋼的塑性，使其冷彎性能變壞。本發明的熱處理工藝是通過將鋼管加熱到兩相區進行保溫處理。在兩相區內，保溫時間比較長，配分比較充分，所以奧氏體化中的富碳量和錳量較高；在隨后的隨爐冷卻或者空冷過程中，奧氏體穩定性較高，有利于常溫下在鋼中得到較多的逆轉變奧氏體。顯微組織分析表明，本發明生產的低成本大膨脹量無縫石油套管鋼中除了在鐵素體與馬氏體之間存在部分粒狀和針狀的殘余奧氏體之外，在原奧氏體晶界處以及鐵素體晶粒內部還存在著部分顆粒狀殘余奧氏體，殘余奧氏體體積分數通常> 5%。由于軟相鐵素體的存在以及殘余奧氏體在相變過程中產生的形變誘發相變塑性(Trip)效應，獲得的多相鋼比現有的常規調制鋼具有更高的塑性。本發明可以根據具體的強塑性要求，適當調整化學成分和兩相區加熱溫度、保溫時間等，獲得最優化的多相組織配比，滿足不同的使用性能要求。本發明適用于低C、Mn鋼，也可以選擇性加入其他一些Mo、Cr、N1、V、Nb、V、Ti合
金元素。本發明的低成本大膨脹量無縫管材料結合適當的穿管和兩相區退火工藝，使管材獲得了“回火馬氏體(回火貝氏體)+鐵素體+殘余奧氏體”的多相組織，保證了鋼管在具有較高強度水平的同時，兼具較高的塑性變形能力。有效解決了以往膨脹管制造中所存在的成本高、焊接性能差、生產工藝復雜等技術難題，對我國焊管以及石油工業的發展具有重要的意義。
圖1為無縫管軋制后空冷的室溫組織。圖2為無縫管軋制后噴水冷卻的室溫組織。圖3為空冷鋼管退火后的組織。圖4為噴水冷卻鋼管退火后的組織。
具體實施例方式
實施例1和實施例2低成本大膨脹量無縫石油套管，其組成原料按照質量百分數計為:C:0.03wt%、Si:0.3 wt%、Mn:5.8wt%、P:0.01 wt%、S:0.0020 wt%,余量為 Fe 及不可避免的雜質，經轉
爐冶煉、鑄造制成鋼管還。采用無縫管成型技術，將上述管坯加熱到1200°C，均熱，穿孔。在900°C軋制后分別采用空冷和噴水冷卻兩種冷卻方式，分別得到兩種室溫組織，如圖1和圖2所示。最后，把這兩種組織的鋼管分別以5°C /S的加熱速度加熱到650°C，保溫8小時后，隨爐冷卻到室溫。得到最終顯微組織如圖3和圖4所示。經檢驗，兩種冷卻方式下鋼管的力學性能如表I所示。其各項力學性能指標完全滿足API及其他相關標準要求。表I兩種冷卻方式下的力學性能
權利要求
1.一種用于無縫鋼管的大膨脹量鋼，其特征在于，化學成分重量百分為:c:0.02wt% 0.10 wt% ；Mn: 2.0 wt% 8.0wt% ；S1: 0.2 wt% 1.0 wt% ;S〈0.01 wt% ；P〈0.02wt% ;余量為Fe及不可避免的雜質； 所述的大膨脹量鋼的顯微組織為:回火馬氏體或回火貝氏體+鐵素體+殘余奧氏體；其中，殘余奧氏體含量> 5%； 力學性能為:屈服強度400 700MPa，抗拉強度500 900MPa，延伸率30% 60%，均勻延伸率>20%，加工硬化指數0.15 0.3。
2.根據權利要求1所述的大膨脹量鋼，其特征在于，再添加:Ni:0.lwt% 0.6wt%、Cr:0.lwt% 0.6wt%、Cu:0.lwt% 0.5wt%、Nb:0.01wt% 0.lwt%、V:0.01wt% 0.lwt%、Ti:0.01wt% 0.02wt%中的一種或幾種其他化學元素。
3.—種權利要求1或2所述的大膨脹量鋼的制備方法，其特征在于，工藝步驟及控制的技術參數為: (1)冶煉及凝固:適用于轉爐、電爐或感應爐冶煉，采用連鑄生產鑄坯或模鑄生產鑄,定; (2)加熱及穿孔:管坯加熱到1100 1250°C，保溫I小時 10小時；穿孔溫度850 IlOO0C ； (3)控制冷卻:根據具體的性 能要求，采用空冷和強制冷卻的冷卻方法，分別得到粒狀貝氏體和“馬氏體+貝氏體”組織； (4)熱處理:將鋼管加熱到兩相區600 700°C，Acl以上10°C 40°C范圍，保溫2 15小時，然后隨爐冷卻或者空冷到室溫。
全文摘要
一種用于無縫鋼管的大膨脹量鋼及其制造方法，屬于無縫鋼管技術領域。該大膨脹量鋼化學成分為質量百分數為C: 0.02wt%～0.10 wt% ；Mn:2.0 wt%～8.0wt% ；Si: 0.2 wt%～1.0 wt%；S<0.01 wt% ；P<0.02wt%；余量為Fe及不可避免的雜質；也可以在此基礎之上添加一種或幾種其他化學元素Ni0.1wt%～0.6wt%、Cr0.1wt%～0.6wt%、Cu0.1wt%～0.5wt%、Nb0.01wt%～0.1wt%、V0.01wt%～0.1wt%、Ti0.01wt%～0.02wt%。制備過程包括鋼的冶煉及凝固、管坯加熱穿孔、控制冷卻、兩相區退火。確保最終組織中得到體積分數大于5%的殘余奧氏體。優點在于，保證了材料具有較高強度水平的同時，兼具較高的塑性，均勻延伸率達到20%以上。其各項力學性能指標滿足API及其他相關標準要求。
文檔編號C21D8/10GK103146996SQ20131009062
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月20日 優先權日2013年3月20日
發明者劉清友, 賈書君, 汪兵, 陳紅桔 申請人:鋼鐵研究總院